CN210572988U - 一种高荧光收集率的头戴式显微镜 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光电检测和光学成像技术领域，具体公开了一种高荧光收集率的头戴式显微镜，包括探头、物镜和激光器，探头包括头套、第一透镜、第二透镜、驱动器和扫描组件，驱动器与头套转动连接，扫描组件包括依次固定连接的光电检测器、超薄片、滤光薄膜和表层薄膜，光电检测器固定在驱动器上，表层薄膜为偏振分光薄膜或二向色镜薄膜；物镜位于表层薄膜与被检测物体之间并可收集被检测物体中激发的发射光；第二透镜位于第一透镜与表层薄膜之间，且第二透镜将激发光聚焦成线状，激光器位于第一透镜远离第二透镜一侧。本方案中的显微镜可以减小荧光的反射路径，从而减少荧光的损失。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电检测和光学成像技术领域，尤其涉及一种高荧光收集率的头戴式显微镜。
背景技术
为了在实验动物上进行高分辨率的神经科学研究，通常采用多光子显微镜作为无创光学脑成像的技术。一般来说，在使用台式多光子显微镜时，活体样本(被研究的动物)的头部需要一直被固定，活体样本在实验期间一直都是处于物理约束和情绪压力(恐惧、未知)下，对于活体样本在自由活动的情况下的行为不能进行有效的研究。
为解决上述问题，中国专利公开号为CN107049247A的专利文献中公开了一种微型双光子显微成像装置和方法、活体样本行为成像系统，所述微型双光子显微成像装置包括：飞秒脉冲激光器，其用于产生波长为920纳米的激光；飞秒脉冲激光调制器，其用于接收所述飞秒脉冲激光器输出的激光，并预啁啾补偿激光的脉冲展宽至预设值，并输出；微型探头，所述微型探头包括：扫描成像部分，用于接收所述飞秒脉冲激光调制器输出的激光，该激光对活体样本内部的组织进行扫描，以激发所述活体样本产生荧光信号；和激光输出光纤，其用于接收所述扫描成像部分输出的所述荧光信号，并进行输出。所述微型双光子显微成像装置能够在自然生理环境中对自由活动的动物的树突和树突棘活动进行稳定的观测。
被显微物镜收集的荧光信号的强度取决于显微物镜的数值孔径和物镜前孔径(Objective Front Aperture，OFA)(E.Beaurepaire,et.al,Applied Optics,vol.41,no.25,pp.5376-5382,2002)。显微物镜的数值孔径和物镜前孔径越大，显微物镜能收集的荧光信号的强度越大。对于双光子荧光显微镜中常见的数值孔径为0.8，放大倍率为40X的显微物镜来说，高散射样品中只有不到10％的立体角内的荧光被显微物镜收集到。
近年来出现了很多技术收集显微物镜无法收集到的荧光光子，2006年折返射显微物镜被提出(D.
et.al,Optics Letters,vol.31,no.16,pp.2447-2449,2006)。2007年采用抛物面镜和2011年采用圆柱面镜的发射检测技术被提出，仿真获得了10倍荧光收集效率增强，实验获得了8.9倍荧光收集效率增强(C.A.Combs,et.al,Journal fMicroscopy,vol.228,no.3,pp.330-337,2007和V.Crosignani,et.al,Journal ofBiophotonics,vol.4,no.9,pp.592-599,2011)。之后，上述技术分别经过改进后被用于落射式荧光检测(C.A.Combs,et.al，Journalof Microscopy,vol.241,no.2,pp.153-161,2011和V.Crosignani,et.al,Journal of Biomedical Optics,vol.17,no.11,pp.116023,2012)。最近报道了一种可用于直立双光子显微镜的紧凑的全发射检测器件(C.A.Combs,et.al，Journal of Microscopy,vol.253,no.2,pp.83-92,2014)。此外通过在显微物镜周围安排5-8根高数值孔径的光纤来收集显微物镜收集不到的荧光，可以在高数值孔径显微物镜获得2倍荧光收集效率增强，在低数值孔径显微物镜获得20倍荧光收集效率增强(C.J.Engelbrecht,et.al,Optics Express,vol.17,no.8,pp.6421-6435,2009和J.D.McMullen,et.al,Journal of Microscopy,vol.241,no.2,pp.119–124,2011)。2016年一种兼容商用双光子荧光显微镜的采用四分之一椭球反射镜的全发射检测技术被提出，在高数值孔径显微物镜获得了2.75倍荧光收集效率增强(Y.Xu,et.al,IEEE PhotonicsJournal,Vol.8,Issue 5,6901109,2016)。
以上用于增强荧光收集效率的技术均采用额外光学元件收集显微物镜无法收集到的荧光光子。由于荧光光子的散射角度离散性很大，进入额外收集光路后荧光光子多次反射路径复杂，损耗大，导致额外光学元件的实际收集效率受限。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种减小反射路径的高荧光收集率的头戴式显微镜。
为达到上述目的，本实用新型的技术方案是：一种高荧光收集率的头戴式显微镜，包括探头、物镜和激光器，探头包括头套、第一透镜、第二透镜、驱动器和扫描组件，所述驱动器与头套转动连接，扫描组件包括依次固定连接的光电检测器、超薄片、滤光薄膜和表层薄膜，光电检测器固定在驱动器上，表层薄膜为偏振分光薄膜或二向色镜薄膜；物镜位于表层薄膜与被检测物体之间并可收集被检测物体中激发的发射光；第二透镜位于第一透镜与表层薄膜之间，且第二透镜将激发光聚焦成线状，激光器位于第一透镜远离第二透镜一侧。
本方案的有益效果为：
1.本方案中的扫描组件包括光电检测器，在使用过程中，被检测物体激发的激发光经过表层薄膜、滤光薄膜和超薄片后经光电检测器由光信号转为电信号，荧光不需要经过光纤传递至外界的光电检测器件上，荧光反射的路径减小，从而减小荧光光子的损耗。
2.当本方案中的镜面用于反射光线，当扫描器用于微型激光雷达模块等被观测物体的反射光和入射光具有相同波长时，采用偏振分光薄膜作为表层薄膜，偏振分光薄膜用于反射入射的S线偏振光，经过反射的S线偏振光穿过外部波片后偏振方向转动，由被观测物体反射后再次经过外部波片后偏振方向再次转动后，形成S线偏振光和P线偏振光(以P线偏振光为主)的混合光，该混合光中只有P线偏振光能够经过偏振分光薄膜，并经过滤光薄膜的过滤，照射在光电检测器上实现光电转换。
本方案中的扫描器能够实现将激发光和发射光分开、改变激发光的反射角角度以实现扫描、将激发光滤除和进行光电转换四个功能，而不再需要单独的四个器件分别实现这四个功能，能够减少微型成像探头内器件的数量，探头的体积和重量均得以减小。
3.当本方案中的扫描器用于微型扫描显微镜等被观测物体的激发光和发射光具有不同波长时，采用二色镜薄膜作为表层薄膜，二向色镜薄膜用于将激发光反射到被观测物体上，被观测物体激发的发射光穿过二向色镜薄膜，滤光薄膜用于滤出剩余的激发光，光电检测器接收穿过的滤光薄膜的发射光实现光电转换。
进一步，激光器连接有光纤，所述光纤位于第一透镜远离第二透镜一侧。
本方案的有益效果为：检测时光纤可以直接导入激发光，外界无需再设置光纤提供激发光，检测更为便捷。
进一步，光纤与表层薄膜之间转动连接有外部扫描器。
本方案的有益效果为：激发光可以由外部扫描器进行X方向扫描。
进一步，第二透镜为柱状，且第二透镜背离第一透镜的侧壁为平面。
本方案的有益效果为：本方案中的显微镜可以进行线扫描，无需在扫描组件之外另外设置外部扫描器，本方案中的显微镜的体积更小。
进一步，滤光薄膜为镀在超薄片上的光学薄膜。
本方案的有益效果为：本方案中的滤光薄膜厚度更小，进一步减小显微镜的体积。
进一步，表层薄膜为镀在滤光薄膜表面的光学薄膜。
本方案的有益效果为：本方案中的表层薄膜厚度更小，进一步减小显微镜的体积。
进一步，超薄片远离光电检测器一侧设有环状的凹槽，所述凹槽位于光电检测器外缘，所述滤光薄膜位于凹槽内侧。
本方案的有益效果为：在加工过程中，由于凹槽的存在，可以避免滤光薄膜和偏振分光薄膜被固定至超薄片外周，减小加工难度。
进一步，驱动器上固定有转轴，所述转轴与驱动器同轴。
本方案的有益效果为：驱动器在使用过程中需要转动，驱动器上固定有转轴，在安装时不需要将驱动器与外部的转动件固定，安装更为方便。
进一步，转轴的数量为两个，且两个转轴分别位于驱动器的两端。
本方案的有益效果为：两个转轴分别位于驱动器的两端，两个转轴均可受力，驱动器两端受力均匀，不会发生歪斜。
进一步，物镜为超表面平面透镜。
本方案的有益效果为：超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。本方案中的物镜的体积更小，进一步减小扫描成像结构的体积。
附图说明
图1为本实用新型实施例1中的扫描器的立体图；
图2为本实用新型实施例1中探头的结构示意图；
图3为本实用新型实施例1中探头使用时的状态图；
图4为本实用新型实施例1中偏振分光薄膜的工作原理图；
图5为本实用新型实施例1中二向色镜薄膜的工作原理图；
图6为本实用新型实施例1中显微镜的工作原理图；
图7为本实用新型实施例2中扫描器的立体图；
图8为本实用新型实施例3中显微镜的工作原理图；
图9为本实用新型实施例4中扫描器的立体图；
图10为本实用新型实施例4中显微镜的工作原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：光电检测器1、偏振分光薄膜2.1a、二向色镜薄膜2.1b、超薄片2.2、滤光薄膜2.3、凹槽2.4、驱动器3、转轴4、物镜5、光纤6、外部扫描器61、第一透镜62、第二透镜63、第三透镜64、头套7。
实施例1
一种高荧光收集率的头戴式显微镜，如图2所示，包括探头、物镜5和激光器，探头包括头套7、第一透镜62、第二透镜63、驱动器3和扫描组件，如图1所示，本实施例中的驱动器3选用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，具体的，采用MEMSCAP公司的表面微加工工艺SOIMUMP，本实施例中的驱动器3采用现有技术中的检流计振镜。驱动器3两端均键合固定有转轴4，且两个转轴4均与驱动器3同轴，两个转轴4远离驱动器3的一端均贯穿头套7，并与头套7间隙配合，保证驱动器3可以相对头套7转动。
扫描组件包括依次设置的光电检测器1、超薄片2.2、滤光薄膜2.3以及表层薄膜，表层薄膜为偏振分光薄膜2.1a或二向色镜薄膜2.1b，其中光电检测器1与驱动器3键合固定，且光电检测器1通过电线与外界的计算机连接。
其中光电检测器1可为光电二极管、光电三极管、光电倍增管、电荷耦合器件、金属半导体氧化物器件，具体的，本实施例中的光电检测器1为光电二极管。超薄片2.2和滤光薄膜2.3均为轴对称形状，具体的，本实施例中的超薄片2.2和滤光薄膜2.3均为矩形，超薄片2.2与光电检测器1键合固定。
其中超薄片2.2选用对波长为390nm～1720nm的光具有50％以上透射率的材质，具体的，超薄片2.2的材质为光学玻璃、高分子聚合物或半导体材料中的一种或多种的混合物，本实施例中的超薄片2.2选用光学玻璃材质。其中滤光薄膜2.3和表层薄膜为依次镀在超薄片2.2上的光学薄膜。
在如图2所示，物镜5位于扫描器下方，物镜5与外套胶接，在检测时，物镜5位于表层薄膜与被检测物体之间。第二透镜63位于驱动器3右侧，第一透镜62位于第二透镜63右侧，且检测时，第二透镜63将激发光聚焦成线状。
激光器位于第一透镜62远离第二透镜63一侧，本实施例中的激光器使用飞秒脉冲激光器，激光器连接有光纤6，激光器发生的激发光被光纤6传输。第一透镜62右侧还设有外部扫描器61，光纤6远离激光器一端位于第一透镜62右侧，并朝向外部扫描器61。光纤6与外部透镜之间设有与第一透镜62相同的第三透镜64；在具体实施时，本实施例中的外部扫描器61还可以位于第二透镜63与表层薄膜之间。本实施例中的外部扫描器61为上述扫描组件，外部扫描器61的表层薄膜位于靠近光纤6一侧。
具体实施过程如下：
如图4所示，偏振分光薄膜2.1a作为表层薄膜用于被观测物体的反射光和入射光具有相同波长时，外部光源发出的S线偏振光经过第一透镜62准直后，由偏振分光薄膜2.1a反射，再由外部波片改变线偏振光的偏振方向，经过被检测物体反射后再次穿过外部波片使大部分反射光的偏振方向为P方向，偏振分光薄膜2.1a反射S线偏振光并透过P线偏振光，最终P线偏振光穿过超薄片2.2和滤光片由光电检测器1转换为电信号输出至外界的计算机，由计算机进行处理。
如图5所示，二向色镜薄膜2.1b作为表层薄膜用于被观测物体的激发光和发射光具有不同波长时，外部光源发出的激发光经过第一透镜62准直后由第二透镜63聚焦成线状焦点在表层薄膜上，经镜面反射、并被光电检测器1扫描，一维扫描光束由外部高色散物镜聚焦在被检测物体中形成扫描线，被检测物体中激发的发射光(本实施例中为单光子荧光)被外部高色散物镜收集后，穿过多面体扫描镜的表层薄膜、超薄片2.2和滤光薄膜2.3，并聚焦在光电检测器1上转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理。
本实施例中的显微镜用于点扫描，本实施例以二向色镜薄膜作为表层薄膜、对小鼠的头部进行检测为例，显微镜的具体实施方式为：
如图3所示，使用时，头套7佩戴于小鼠的头部。再如图6所示，光纤6发出的激发光经过第三透镜64准直后由外部扫描器61进行X方向扫描，然后再经过第一透镜62和第二透镜63组成的透镜对照射到作为多面体扫描镜的二向色镜薄膜2.1b上反射并进行Y方向扫描，光束由物镜5聚焦在被检测物体中，被检测物体中激发的发射光被物镜5收集后，穿过二向色镜薄膜2.1b、超薄片2.2和滤光片，由光电检测器1转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理。
实施例2
在实施例1的基础上，如图7所示，本实施例中的超薄片2.2远离光电检测器1的侧壁上设有环状的凹槽2.4，凹槽2.4位于超薄片2.2的外缘，且凹槽2.4由蚀刻加工形成。滤光薄膜2.3和表层薄膜均位于环状的凹槽2.4内侧。
在加工滤光薄膜2.3时，由于凹槽2.4的存在，可以避免滤光薄膜2.3和表层薄膜被加工至超薄片2.2外周，减小加工难度。
实施例3
在实施例2的基础上，如图8所示，本实施例中的显微镜未设置第三透镜64和外部扫描器61，第二透镜63为柱状，且第二透镜63背离第一透镜62的侧壁为平面；本实施例中的物镜5为超表面平面透镜，且物镜5水平设置。另外，本实施例中的光纤6靠近第一透镜62的一端朝向第一透镜62，且本实施例中的光电检测器1为二维光电检测器1件。
本实施例中的显微镜用于线扫描，本实施例仍以二向色镜薄膜2.1b作为表层薄膜为例，显微镜的具体实施方式为：
外部光源发出的激发光经过外部透镜准直后由外部柱状透镜聚焦成线状焦点在作为多面体扫描镜的二向色镜薄膜2.1b上，反射并进行扫描，一维扫描光束由外部高色散物镜5聚焦在被检测物体中形成扫描线，被检测物体中激发的发射光被物镜5收集后，穿过二向色镜薄膜2.1b、超薄片2.2和滤光片聚焦在光电检测器1上并转换为电信号，最后送至外部放大电路和计算机进行处理。在线扫描应用中，由于被检测物体中激发的发射光(如单光子荧光或非线性光学信号)的波长比激发光短，通过外部高色散物镜5的发射光的焦距小于激发光，因此通过选择合适的材料和参数可以使焦点发出的发射光经过外部高色散物镜5的聚焦后再次聚焦在光电检测器1上。
实施例4
在实施例1的基础上，如图9所示，本实施例中的驱动器3外形为六棱柱，且本实施例中的扫描组件数量与驱动器3除去两端面的侧面数量相同，即本实施例中设有六个扫描组件，六个扫描组件分别位于驱动器3的六个侧壁上。
如图10所示，扫描成像时，为了保证能够形成二维图像，在单位时间内需要多点进行扫描，故扫描组件需要不断偏转，从而完成若干次扫描，若仅设置一个扫描组件，扫描时扫描组件需要转动较大角度才能完成扫描一次，扫描组件的转动速度需要极快；但本方案中的扫描器包括多个扫描组件，扫描时，扫描组件只需要转动较小角度即可使下一扫描组件对待扫描的点进行扫描，扫描组件的转动速度可以稍慢，故对驱动件的要求比仅设置一个扫描组件的扫描器更低。
除此之外，本实施例中运动过程和原理与实施例3相同。
以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本实用新型所省略描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (10)
1.一种高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：包括探头、物镜和激光器，所述探头包括头套、第一透镜、第二透镜、驱动器和扫描组件，所述驱动器与头套转动连接，所述扫描组件包括依次固定连接的光电检测器、超薄片、滤光薄膜和表层薄膜，所述光电检测器固定在驱动器上，所述表层薄膜为偏振分光薄膜或二向色镜薄膜；所述物镜位于表层薄膜与被检测物体之间并可收集被检测物体中激发的发射光；所述第二透镜位于第一透镜与表层薄膜之间，且第二透镜将激发光聚焦成线状，所述激光器位于第一透镜远离第二透镜一侧。
2.根据权利要求1所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述激光器连接有光纤，所述光纤位于第一透镜远离第二透镜一侧。
3.根据权利要求2所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述光纤与表层薄膜之间转动连接有外部扫描器。
4.根据权利要求1所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述第二透镜为柱状，且第二透镜背离第一透镜的侧壁为平面。
5.根据权利要求1所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述滤光薄膜为镀在超薄片上的光学薄膜。
6.根据权利要求5所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述表层薄膜为镀在滤光薄膜表面的光学薄膜。
7.根据权利要求6所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述超薄片远离光电检测器一侧设有环状的凹槽，所述凹槽位于光电检测器外缘，所述滤光薄膜位于凹槽内侧。
8.根据权利要求7所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述驱动器上固定有转轴，所述转轴与驱动器同轴。
9.根据权利要求8所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述转轴的数量为两个，且两个转轴分别位于驱动器的两端。
10.根据权利要求1所述的高荧光收集率的头戴式显微镜，其特征在于：所述物镜为超表面平面透镜。
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